參與式微生物組在生物信息學教學中的實踐研究*

何勇濤，金曉琳，倪青山，饒賢才，胡曉梅，趙 霞

(陸軍軍醫大學：1.研究生院；2.基礎醫學院微生物學教研室，重慶 400038)

功能基因組、蛋白質組及藥物基因組的研究計劃已經成為當前的熱點，大規模的組學數據依賴于生物信息學的分析方法得以解讀，生物信息學技術成為后基因時代的核心技術。盡管基因組信息越來越頻繁地成為患者病歷的組成部分，但是目前臨床醫生對基因組學的理解普遍滯后于生物學科研人員[1-2]。因此，訓練醫學生利用生物信息學技術，恰當地使用和解釋這些基因組信息成為目前醫學院校生物信息學教育的一項重點[3]。

生物信息學是本校臨床8年制學員本科階段，生物技術4年制本科學員的基礎必修課程，以及碩士研究生學員的選修課程[4]。近幾年，通過理論和上機實訓考核，筆者發現學生的考核成績并不理想。結合本門課程的特征和內容，分析其主要原因：(1)醫學院校學生知識背景偏向生物學，生物信息學學習興趣缺乏；(2)大數據時代，知識獲取途徑的多樣化對傳統灌輸式教學造成巨大的沖擊；(3)生物信息學數據分析案例抽象，學生參與積極性不高[5]。生物信息學課程的目的是要培養學生利用算法或工具從生物數據中挖掘出生物學意義，解決生物學問題。這需要學生在充分知曉數據的來源、實驗設計，對測序流程有充分認識的前提下才能達到的目標，否則對于那些對數據敏感性和認知性相對較低的醫學生而言是非常枯燥的，只能被動地接受教師的灌輸，教學效果很難讓人滿意。因此，為充分調動學生學習生物信息學的積極性，筆者借鑒國外“參與式基因組學”的教學經驗，提出“參與式微生物組”教學法，并在本校的生物信息學課程教學過程中進行了實踐。

1 參與式微生物組教學設計

參與式教學法是一種合作式或協作式的教學法。這種方法以學習者為中心，鼓勵學習者積極參與教學過程，使學習者能深刻地領會和掌握所學知識[6-7]。2015年1月20日，美國總統奧巴馬在國情咨文中提出“精準醫學計劃”，“精準醫療”是一種將個人基因、環境與生活習慣差異考慮在內的疾病預防與處置的新興方法[8]。美國的教育研究者在此背景下對醫學院校生物信息學課程的教學方法率先進行了改進，引入了參與式基因組(participatory genome)教學方法，即學生通過采集來源于自身的標本，進行基因組檢測，并在生物信息學學習過程中分析來源于自身的生物數據[9]。由于數據來源于自身，出于對自我健康的關注，學生參與課程學習的積極性極大提高，并且從標本采集到數據分析，學生都全程參與，學習效果也非常好。但是“參與式基因組”教學法涉及個人的遺傳信息，倫理爭論較大，盡管在少數幾所學校嘗試了該教學方法，但是并未得到大范圍的普及。

人體微生物的失調與多種全身性疾病密切相關，如心血管疾病、肥胖、腫瘤等涉及臨床醫學的多個學科，可見人體微生物學對于醫學院校各學科的滲透性非常強[10]。這與生物信息學的學科滲透性非常相似，對于生物信息學來說，只要能產生生物數據的學科都能夠應用生物信息學的知識來解決。與人體基因組數據不同的是，人體微生物的數據不涉及人體遺傳信息，不會引起倫理爭論。目前部分學校已經嘗試將單個微生物的研究數據，如分枝桿菌、噬菌體、大腸桿菌等單個微生物引入到教學過程中，但是單個微生物的學科滲透性遠遠低于人體微生物，并且產生的數據量和數據種類也很少，無法滿足生物信息學的教學要求，因而在實際教學過程的普及程度并不高[11-12]。為了解決醫學院校本科生生物信息學學習主動性缺乏，教學效果不理想的問題，筆者將人體微生物組學和生物信息學有機結合起來，并應用到生物信息學的教學中去。這就是參與式微生物組教學法(participatory microbiome)，即學生以來源于自身的微生物組數據為學習材料學習生物信息學課程內容。

2 參與式微生物組教學的實施

2.1學生和教員對參與式微生物組教學法的態度 在參與式微生物組教學法實施之前，筆者對39名本科生(臨床8年制和生物技術4年制)，49名研究生(課題階段和新生)和11名教員(生物學和生物信息學學科)進行了問卷調查。調研結果顯示，參與調研的99名師生在對人體微生物組學有一定了解的情況下，對通過采集學生自身的人體微生物組學標本來學習生物信息學表示贊同，贊同率高達90%，并且認為該方法對本課程的學習有一定幫助或者非常有幫助的人數比例也高達90%。 由于人體微生物組學的標本采集點非常多，此次問卷調查筆者設計了4個科研中常用且易于操作的位點，包括唾液、尿液、糞便和皮膚進行調研，其中唾液是選擇人數最多(51%)的位點，其次是尿液(42%)。

本課程總計48個學時，其中理論講授28個學時，研討2個學時，上機實訓18個學時。為了有針對性地開展參與式微生物組教學法，筆者調研了各個專業層次學員和教員在實際學習工作中最常用或認為最有用的章節(多選)。根據調研結果，不同專業、不同培養層次或不同工作中，學員和教員最常用或者有用的章節是比較一致的，都是BLAST與數據庫搜索，其次是生物信息學數據庫。

2.2參與式微生物組的數據獲取及生物信息學分析 根據前期問卷結果，筆者對愿意參與此項研究的本科生和研究生開展教學改革項目。人體微生物組學采集位點為唾液標本，研究方法為基于細菌16S rDNA測序的方法。學員用唾液采集器自行采集唾液標本，迅速凍存于-80 ℃冰箱。基因組提取，細菌16S rDNA擴增，高通量測序和數據庫比對等基本流程由測序公司完成，見圖1。

圖1 參與式微生物組的數據獲取及生物信息學分析流程

學員需要完成的生物信息分析教學內容是在測序公司的初級分析所得到的最小分類單元(operational taxonomic units，OTU)的豐度列表的基礎上。結合本門課程設置的6次上機實訓課內容，筆者在其中5次課中引入了微生物組學數據的分析內容。(1)Linux操作基礎：①用Shell基本命令對測序數據進行文件操作；②Linux下編譯和安裝ClustalX軟件；③Linux下用ClustalX進行菌群的多序列比對。(2)生物信息資源的檢索和獲取:①將菌群測序數據與數據庫進行BLAST比對，獲取口腔菌群的分類信息；②微生物組學數據庫Sliva的數據獲取和檢索。(3)BLAST應用:①利用美國國立生物技術信息中心(NCBI)數據庫中的BLASTn在線工具比對口腔菌群中豐度最高前10種細菌；②根據BLAST比對結果預測未知功能細菌與人體健康的關系。(4)多序列比對和分子進化分析:①對口腔菌群中豐度最高的前50種細菌進行多序列比對和分子進化分析；②根據進化樹結果預測未注釋的細菌可能的同源菌屬。(5)核酸和基因組序列分析:①從NCBI數據庫下載感興趣的口腔細菌的全基因組序列；②利用DNAStar軟件包分析該菌的G+C含量，密碼子使用偏嗜性，開放閱讀框(ORF)等序列特征；③16S rRNA的二級結構的預測；④對菌群進行KEGG和基因本體(GO)的功能富集分析。結合問卷調查結果，生物信息學數據庫和BLAST應用兩個章節可能是學員在今后學習和工作中使用頻率最高，且最重要的內容。在教學過程中，筆者在兩次實訓課內容中設計了約1/4課時的內容，讓學員通過公共數據庫資源對口腔微生物測序數據進行BLAST比對，并通過對比解讀未知的OUT物種可能與人體健康的關系。

3 參與式微生物組教學效果評估

為評估參與式微生物組的教學效果，筆者在課程考試結束后，對參與的本科生和研究生進行了第2次問卷調查。通過比較第1次和第2次問卷調查結果，學員在參與前后對參與式微生物組教學法的認可度得到了極大的提高。在參與前只有28.2%的本科學員認為參與式微生物組教學法對生物信息學的學習非常有幫助，參與后有56.4%的學員認為該方法對生物信息學的學習非常有幫助；研究生學員的認可度提升程度與本科生相似，從26.9%提升到57.7%。這一結果表明，參與式微生物組教學法對學生學習積極性的調動是非常成功的，同時也達到了進行這項教學改革的初衷。

4 小 結

生物信息學技術以數據為基礎，涉及領域廣泛，同時也是一項新興的技術，對教員的教授和學員的學習都是非常具有挑戰性的。為了提高醫學生的學習積極性，激發其對生命科學領域的探索欲，提高生物信息學的教學效果，筆者在參與式教學法的基礎上，總結參與式基因組教學法的經驗，在目前人體微生物組學的研究熱潮中首次提出了參與式微生物組教學法，并將此法引入到醫學院校的生物信息學教學中，通過實踐獲得了非常好的教學效果，尤其在學生學習積極性的調動上效果顯著。學生在此項教學實踐中，從實驗設計，標本采集，數據獲得到數據分析都全程參與，從生物學問題出發，通過生物信息學技術的運用再回歸到生物學問題中去，這不僅有利于學生科研思維和總攬全局能力的培養，更有利于學員從根本上理解和掌握生物信息學技術。